Genotoxicitet

D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Genetiska bestämningsfaktorer, KI, 2010
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Genotoxicitet
gen = arvsmassa
toxicitet = läran om gifter
Genotoxicitet = läran om hur gifter påverkar arvsmassan
”Toxic, lethal and heritable effects to the karyotic and extrakaryotic genetic material in germinal and somatic cells"
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Genotoxicitet är ett brett begrepp som
innefattar vilken skada som helst i
arvsmassan och oavsett med vilken
mekanism denna skada induceras.
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Arvsmassan - deoxyribonukleinsyra (DNA)
F-4
Cellcykeln
G0
Molecular toxicology in mammalian cells, D. Jenssen, Dept. Genetic & Cellular Toxicology
DNA-lesions
Strängbrott
- Enkelsträngbrott
- Dubbelsträngbrott
DNA-addukter
- Basförändringar
- Förlust av baser
Korsbindningar
- DNA-DNA
- intra
- inter
- DNA-protein
a.
b.
DNA damage, repair mechanisms and consequences. a, Common DNA damaging
agents (top); examples of DNA lesions induced by these agents (middle); and most
relevant DNA repair mechanism responsible for the removal of the lesions (bottom).
b, Acute effects of DNA damage on cell-cycle progression and on DNA metabolism
(middle). Long-term consequences of DNA injury (bottom).
A,B
A-1
J.H.Hoeijmakers. Genome maintenance mechanisms for preventing cancer. Nature 411, 366, (2001).
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
- Åtgärder
Induktion av genotoxicitet
DNA-skador
Tidiga reversibla
händelser
Strängbrott, addukter, DNA-reparation,
replikationsfel, mikrotubili def.
Mutagen
Genmutationer (punktmutationer)
Etablerade
genetiska skador
Clastogen
Kromosom eller kromatidbrott, utbyten
Aneugen
Ändrade kromosomtal
46 >
< 46
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Genotoxiska ämnen
Genotoxiska
ämnen är ofta även
carcinogena
Genotoxiska
ämnen
Carcinogener
Gemensamma egenskaper för genotoxiska och
carcinogena ämnen är att de är reaktiva och binder
till cellulära makromolekyler;
RNA
DNA
proteiner
Induktion av genotoxicitet
DNA-skador
Tidiga reversibla
händelser
Strängbrott, addukter, DNA-reparation,
replikationsfel, mikrotubili def.
Mutagen
Genmutationer (punktmutationer)
Etablerade
genetiska skador
Clastogen
Kromosom eller kromatidbrott, utbyten
Aneugen
Ändrade kromosomtal
46 >
< 46
Induktion av genotoxicitet
DNA-skador
Tidiga reversibla
händelser
Strängbrott, addukter, DNA-reparation,
replikationsfel, mikrotubili def.
Mutagen
Genmutationer (punktmutationer)
Etablerade
genetiska skador
Clastogen
Kromosom eller kromatidbrott, utbyten
Aneugen
Ändrade kromosomtal
46 >
< 46
Ames test
Mutationer i bakterier
Preparation av S9-mix
från råtlever (1)
Gift
Behandling av en
Salmonella-
Bakterier och
S9-mix
blandas (3)
his- stam (2)
Selektion av mutanter
(his+-revertanter)
Kontrol
(5)
Blandas med
toppagar och hälls
ut på agarplattor
(4)
Mutagen effekt
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
”Carcinogens are mutagens”
hprt-test
Mutationer i mammalieceller
(1)
Sköljning (2)
Gift
Behandling
i närvara av:
- Cokultiverade celler
- Leverperfusion
- S9-mix
Överlevnadsplattor (4)
Trypsinering,
räkning och
utsättning (3)
KloningsExpressionstillväxt
plattor (7)
(5)
Utsättning
Selektion av mutanter (6)
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Dosrespons för mutationer inducerade
med metylnitrosurea (MNU)
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Mutationer inducerade med BPDE tillsammans
med olika koncentrationer av klorofyllin
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Mutationer inducerade med BPDE tillsammans
med olika koncentrationer av elagsyra
MutaMouse/BigBlue mutationstest
Mutationer in vivo i möss
Transgen
musstam
med integrerad
LacZ-gen
Behandling (1)
Gift
Avliva, isolera vävnader (2)
Isolering av
genomiskt DNA
(3)
Restriktionsklyvning
Ligering i plasmid (4)
Selektion av mutanter (5)
Blå kolonier Integreringseffektivitet
Mutantkolonier
färglösa
Metoder för att detektera genmutationer
Bakterier
Fördel/Nackdel
Ames test
Bakåtmutationer i histidinlocus
i Salmonella; stammar för
bassubst. resp. frameshift; S9-mix.
Hög känslighet
Falska positiver
Mammalieceller
V79/hprt
Framåtmutationer i hamsterfibroblaster i hypoxanthine-guianin
fosforibosyltransferas-locus;
selektion med 6-tioguanin; plasmid
med P450 eller andra xenobiotika
metaboliserande gener.
Framåtmutationer
Låg känslighet
Transgena möss
LacZ- och LacI-generna
Vektor av LacZ el LacI-generna
intergrerade i musstammar.
Isolering av DNA från olika organ.
Detektion av mutanter i bakterier.
In vivo
Organspecificitet
Låg känslighet
Induktion av genotoxicitet
DNA-skador
Tidiga reversibla
händelser
Strängbrott, addukter, DNA-reparation,
replikationsfel, mikrotubili def.
Mutagen
Genmutationer (punktmutationer)
Etablerade
genetiska skador
Clastogen
Kromosom eller kromatidbrott, utbyten
Aneugen
Ändrade kromosomtal
46 >
< 46
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Abberrationer i humana celler
Lymfocyter i blodprov
Cytologisk metodik
Dicentrisk
Ring
Kromatidbrott
Fragment
”Chromosome painting”
a)
b)
c)
d)
Gris: Y=ljusblå, X=röd, 3=grön, 9=gul
Vildsvin: Reciprok translokation (7:18)
Ko: Koprob=röd, mucingenen=gul
Häst: Y=grön, 4=röd, 1=gul
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
”Chromosome painting”
”Chromosome painting”
Molecular toxicology in mammalian cells, D. Jenssen, Dept. Genetic & Cellular Toxicology
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Abberrationer hos reaktor och plutoniumarbetare
Induktion av genotoxicitet
DNA-skador
Tidiga reversibla
händelser
Strängbrott, addukter, DNA-reparation,
replikationsfel, mikrotubili def.
Mutagen
Genmutationer (punktmutationer)
Etablerade
genetiska skador
Clastogen
Kromosom eller kromatidbrott, utbyten
Aneugen
Ändrade kromosomtal
46 >
< 46
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Aneuploidi
Mikroskopi, traditionell färgning
eller fluorescens med prober
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
”Chromosome painting”
Centromerer
Sammanfattning testning
DNA-skador
Tidiga reversibla
händelser
Strängbrott, addukter, DNA-reparation,
replikationsfel, mikrotubili def.
Mutagen
Genmutationer (punktmutationer)
Etablerade
genetiska skador
Clastogen
Kromosom eller kromatidbrott, utbyten
Aneugen
Ändrade kromosomtal
46 >
< 46
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Kemiska ämnen
På 40-talet
~ 600 000
kemiska ämnen
Idag känner vi till ~ 8 000 000 kemiska ämnen
I industriellt bruk (100 000)
Toxikologisk information (15%)
Genotoxiska (>1%)
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Alkylerare, mono-, bi-, polyfunktionella
Polycykliska aromatiska kolväten (PAH)
Nitro-PAH
Aromatiska aminer and amider
Nitroaromater
Aldehyder
Epoxider
Syreradikaler
Joniserande strålning
UV-ljus
Elektromagnetisk strålning?
”Super”-molekylen för genotoxisk aktivitet
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Genotoxiska ämnen
Genotoxiska
ämnen är ofta även
carcinogena
Genotoxiska
ämnen
Carcinogener
Gemensamma egenskaper för genotoxiska och
carcinogena ämnen är att de är reaktiva och binder
till cellulära makromolekyler;
RNA
DNA
proteiner
Reaktiva (genotoxiska) ämnen orsakar
degenerativa (åldersrelaterade) sjukdomar;
- cancer (mutation)
- för tidigt åldrande (DNA-skador)
- hjärt o. kärlsjukdomar (lipidperoxidation)
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Exposition för genotoxiska ämnen
Miljön
Arbetslivet
Livsstil
Mat
Andning
Det verkar nästan
omöjligt att undvika
genotoxiska ämnen
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
• Miljön
• Arbetslivet
• Livsstil
• Mat
• Andning
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Avgaser från förbränningsfordon
- Polycykliska kolväten (PAH), nitro-PAH
- Etylenoxid från eten
- Benzen
Mutagenicitet jämfört med PAH innehåll i bilavgaser
från olika bränslen
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Hem och fritid
- Lösningsmedel/färger (PAH, metalloxider)
- Hårfärgämnen (azo-föreningar, diaminer,
lawson i Henna)
- Halogenerade kolväten i dricksvattnet
- Arsenik i dricksvattnet
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
• Miljön
• Arbetslivet
• Livsstil
• Mat
• Andning
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Genotoxiska ämnen i arbetslivet
Gummiindustri
- PAH
- Ditiokarbamater
- Thiuramer
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
• Miljön
• Arbetslivet
• Livsstil
• Mat
• Andning
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Cancrar vid genotoxisk exponering ”livsstil”
Sol, solarier
-
Hud
Kosmetika
-
Hud
Öl, vin, sprit
-
Munhåla, svalg,
matstrupe,
tarmkanal, lever
Tobaksbruk
-
Lunga, munhåla, läpp
Matlagning
-
Munhåla, svalg, tarmkanal,
lever, prostata, bröst,
urinblåsa
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Risk för cancer i mat- och luftstrupe
beroende på tobaks- och alkoholvanor
Intag av alkohol
motsv. cl nubbe/dag
Antal rökta cigg. per dag
0-7
8-15
16-25
>26
mindre än 10 cl
1,0
4,7
13,9
4,9
mellan 10-20 cl
3,0
14,6
19,5
18,4
mellan 20-30 cl
5,5
27,5
48,3
37,6
mer än 30 cl
14,7
71,6
67,8
135,5
Från Tuyns et al. (1988) Int. J. Cancer, 41, 483-491
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
En cigarett förkortar livet med 2 min.
En öl förkortar livet med 4 min.
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
• Miljön
• Arbetslivet
• Livsstil
• Mat
• Andning
- Åtgärder
Genotoxiska ämnen i och som förorening i ätliga växter
Svartpeppar
Safrol, estragol, metyleugenol, piperin
Kaffe, te och cacao
Kaffein, klorogensyra, katechol, teobromin, ochraroxin A
Svampar (ej i Karl-Johan, kantareller och trumpetsvamp)
Hydraziner
Nötter
Myosmin, aflatoxin B1
Grönsaker och frukt
Furocumariner, psoralener, quinoner, patulin
quercitin, kaempferol, captan, myosmin
Raps
Erukasyra
Spanmål
Ochratoxin A, nivalenol
Godis
Azo-färgämnen
Genotoxiska ämnen i lagad mat
Härskningsprocessen av fett
- fettsyrahyperperoxider
- kolesterol
-”- endoperoxider
- fett- och kolesterolperoxider
- aldehyder
- alkoxy- och hydroperoxyradikaler
Bränt el. gyllenbrunt material och stekt mat
- pyrolysprodukter av aminosyror
- aminosyror och socker i reaktion
- polyaromatiska kolväten (PAH)
- nitro-PAH
- heterocykliska aminer
- nitrosoföreningar
- metylglyoxal (kaffekokning)
- akrylamid (kolhydrater vid upphettning)
Food and cancer
Risk for cancer
convincing
Risk for cancer
probable
Risk for cancer
limited
suggestive
Alcohol
Salted fish
Red meat
Eggs
Cooking
Saturated fat
Cholesterol
Milk products
Sugar
Contaminants
Body fat
Figure modified from “Food, Nutrition and the Prevention of Cancer”
WCRF/AICR, USA, 1997 with updates from the 2007 report.
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Nackdelar med att göra epidemiologiska (fall-kontrol)
studier för att identifiera carcinogena ämnen i mat
- Latensperioden för lång
- Frågeformulärsvaren otillförlitliga
- Stor individuell variation
- Låg statistisk power
- Tidskrävande och dyra
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Strategier för att identifiera
humancarcinogener i mat
In vitro studier med cellinjer
- Screening av potentiella produkter/ämnen
- Mekanistiska studier
Humanstudier
- Interventionsstudier
- Känsliga och prediktiva biomarkörer
- Högexponerade individer
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Spontant uppkomna mikrokärnnivåer
hos icke-rökare
Non-Vegeterian
2
1,8
1,6
1,4
Vegeterian
fMN-Ret, ‰
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,5
1
NV (n=26)
Individual fMN-PCE
1,5
2
V (n=27)
Average fMN-PCE for diet group NV vs V
2,5
p=0.0013
Kotova, N. et al, 2010, unpublished
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
• Miljön
• Arbetslivet
• Livsstil
• Mat
• Andning
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Träning på löpband till utmattning
Hartman et al. (1994) Mutagenesis 9, 269.
2 tim före
22 tim efter
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
- Genotoxicitet
- Mekanismer
- Testning
- Hälsoeffekter
- Var
- Åtgärder
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Exposition för antigenotoxiska ämnen
Miljö
Arbetsliv
Det kanske
finns en chans....
Livsstil
Mat
Antimutagen
Preventing mutagen
Scavenging mutagen
Inhibiting Phase I metabolism
Inducing - DNA repair
- Phase II metabolism
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Antimutagena/anticarcinogena produkter
Vitaminer
- α-tocoferol (E)
- askorbinsyra (C)
- β-karoten (provitamin A)
- retinol (A)
- riboflavin (B2) i flervitaminpreparat
- folsyra (B12)
Spårämnen, cofaktorer, godkända färgämnen
- selen
- ubiquinon coenzym 10 (Q10)
- glutathion, cystein, NAC
- biliverdin, bilirubin
- klorofyllin, hemin (porfyliner)
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Antimutagena/anticarcinogena produkter
Enzymer
- Polbax® (superoxid-dismutas, SOD)
- Baxtin® (SOD)
Växtextrakt
- Benicol® (innerbarken av tall)
- fibrer (adsorbtion)
- klorofyll, β-sitosterol
Kryddor
- vitlök, lök (diallylsulfider)
- gurkmeja (curcumin)
- rosmarin (hesperidin, luteolin)
- lakrits (glabridin)
- tomatpuré (lykopen)
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Antimutagena/anticarcinogena matvaror
Grönsaker
- kål (indol-3-karbinol)
- soyabönor (edipro, BBI)
Frukt och bär
- flavanoider (polyfenoler)
- vitaminer
- elagsyra
Algväxter
- astaxanthin, mfl.
Te
- catechiner och dess derivat
- teflaviner
Fett
- omättade fettsyror (ω3-fettsyror)
Vanligaste drycken i världen?
Vatten
Näst vanligaste drycken i världen?
Te
Varma drycker
och deras innehåll
78% black tea
fermented, smoked
- catechins
- theaflavins
- theobromine
- hydroperoxide
- caffeine
20% green tea
air-dried
- catechins
- caffeine
2%
tea
light fermented and dried
(halfgreen)
- catechins
- theaflavins
- caffeine
Red tea
Aspalathus linealis
Rooibos
- 37 antioxidants
Coffee
- melanoidins
- chlorogenic acid
- catechol
- theobromine
- caffeine
- hydroperoxide
Chocolate
Cacao liquor
- catechins
- theobromine
- methylxanthine
- caffeine
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Catechin och dess derivat i grönt ofermenterat te
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Teflaviner bildade från catechinderivat
under fermentering av te
Decreases risk
Convincing
Prevention of
cancer by foods
Decreases risk
Probable
Decreases risk
Limited
suggestive
Non-starchy vegetables
Fruits
Food with caratenoids
Food with vitamin C
Minerals and metabolites
Cereals
Starches
Fibres
Tea
Physical activity
Refrigeration
Figure modified from “Food, Nutrition, Physical Activity and the Prevention of Cancer”,
WCRF/AICR, USA, 2007.
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
“Functional Foods”
Svenska definitionen mer generell;
Förbättrade produkter ur hälsosynpunkt.
Naturligt urspung inte nödvändigt.
Det finns ännu inte någon svensk klassificering av “Functional Foods”.
Hälsopåståenden för livsmedel är inte tillåtna I Sverige. Endast
tvåstegspåståenden baserade på 8 samband mellan kost och hälsa:
övervikt och energiinnehåll
kolesterol I blodet och fettkvalitet
blodtryck och salt
ateroskleros och blodkolesterolnivå/blodtryck
förstoppning och kostfiber
benskörhet och kalcium
karies och fermenterbara kolhydrater
järnbrist och järnintag
Alla påståenden om cancer och för tidigt åldrande är otillåtna
!!
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
“Functional Foods”
Kryddor
- vitlök, rosmarin, gurkmeja, tomatpuré, lakrits
Drycker
- svart och grönt te
- rött te (Rooibos)
“Energidrycken” Red Bull
- kaffein (comutagent)
- taurin (kan ge hjärtstillestånd)
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Prevention mot skador orsakade av ökat syreupptag
Inga vitaminer
Multivitaminer
800 mg E
1200 mg E
Träning på löpband till utmattning (DNA-skador bestämda med Comet assay)
Hartmann et al (1995) Mutation Res. 346, 195.
D. Jenssen, Dept. Genetics, Microbiology & Toxicology, Stockholm University
Uppskattning av olika orsaker till
att drabbas av en cancersjukdom
25
Livsstil
Mat
Miljö
13
50
2
10
Genetiskt arv
Arbetsmiljö
Degenerativa sjukdomar som orsakas
av genotoxiska ämnen dominerar;
- antalet dödsfall
- kostnader för samhället
- rädsla att bli drabbad